[논문]첨착 활성탄소섬유의 흡착 및 항균특성

유승한; 김정수; 장현태; 차왕석

doi:10.5762/kais.2011.12.11.5370

첨착 활성탄소섬유의 흡착 및 항균특성
Adsorption and antibacterial property of impregnated activated carbon fiber 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.12 no.11, 2011년, pp.5370 - 5375

유승한 (군산대학교 토목환경공학부) , 김정수 ((주)유성환경) , 장현태 (한서대학교 화학공학과) , 차왕석 (군산대학교 토목환경공학부)

초록
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활성탄소섬유에 항균특성을 부가하기 위해 은나노입자, 망간 그리고 인산을 첨착시켰으며 이러한 첨착정도를 SEM 분석을 통해 관찰한 결과 적절하게 ACF에 첨착되었음을 확인할 수 있었다. 은나노입자 등으로 첨착된 ACF는 첨착되지 않은 ACF보다 휘발성 유기화합물의 흡착능력면에서 다소 떨어짐을 알 수 있었다. 은나노입자와 인산으로 첨착된 ACF의 경우 bacillus cereus와 salmonella entaritidis에 대해 뛰어난 항균력을 보였으나 망간으로 첨착된 ACF의 경우는 bacillus cereus와 salmonella entaritidis에 대한 항균력이 거의 없음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

To introduce the antibacterial activity, ACF(activated carbon fiber) was impregnated by nano-sized Ag, Mn, and phosphoric acid. It was observed by the SEM analysis that Ag, Mn and phosphoric acid were properly impregnated at the ACF. The impregnated ACF showed lower adsorption performance than the pure ACF. It is found that ACFs impregnated by nano-sized Ag or phosphoric acid have a good antibacterial activity against bacillus cereus and salmonella entaritidis. but in the case of ACF impregnated with Mn, it have not any antibacterial effect on the bacillus cereus and salmonella entaritidis.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

동물에 대하여 기회적 감염증을 나타내는 것으로 알려져 있는 bacillus cereus와 사람이나 동물에 티푸스성 질환을 일으키고 식중독의 원인균이 되는 salmonella entaritidis를 대상으로 첨착 활성탄소섬유의 항균성을 측정하여 표 2와 표 3에 나타내었다.
따라서 본 연구에서는 활성탄소섬유에 은 나노입자, 망간입자, 인산을 첨착시킨 후 첨착 활성탄소섬유의 휘발성 유기화합물 흡착 및 항균 특성을 조사하였다.
유리재질의 흡착실험용 반응기를 직경 10mm, 길이 450mm이며, 반응기 중간에 glass fritz를 두어 충전된 흡착제를 고정할 수 있게 하였다. 반응기 주위로 흡착실험시 흡착층의 온도 유지와 탈착 실험시 흡착층 가열을 위해 IR 히터를 장착하였으며, 흡착층 하부에 K형 열전대를 장착하여 IR 히터를 조절하 였다. 분석부에서는 4방 밸브를 사용하여 휘발성 유기화 합물의 흡착전과 후의 농도를 on-line으로 측정할 수 있도록 구성하였으며, 분석은 GC(Gas chromatography)기기의 FID(Flame Ionization Detector)를 사용하여 분석하였다[3].
반응기 주위로 흡착실험시 흡착층의 온도 유지와 탈착 실험시 흡착층 가열을 위해 IR 히터를 장착하였으며, 흡착층 하부에 K형 열전대를 장착하여 IR 히터를 조절하 였다. 분석부에서는 4방 밸브를 사용하여 휘발성 유기화 합물의 흡착전과 후의 농도를 on-line으로 측정할 수 있도록 구성하였으며, 분석은 GC(Gas chromatography)기기의 FID(Flame Ionization Detector)를 사용하여 분석하였다[3].
흡착층을 통과하고 배출되는 시료를 채취 하여 GC로 분석하면서 주입되는 흡착물의 농도와 배출 농도가 같아질 때 흡착을 중단한다. 시간에 따른 배출 농도로 plot 하고 sigmaplot software program에서 추세선과 추세식을 작성한 후 여기에서 얻어진 식을 적분하여 흡착량을 구하였다[8].
실험장치는 크게 유량조절부, 증기발생부, 흡착제 충진층, 분석부로 구성되어 있다. 실험장치 시스템은 전체적으로 1/4 inch 테프론 재질의 튜브를 이용하여 주요 장치들을 연결하였다. 유량조절부에서는 휘발성 유기화합물 제조에 사용된 공기를 일정한 유량으로 주입할 수 있도록 MFC(Mass Flow Controller)를 사용하였다.
증기발 생부에서는 MFC로 조절된 공기를 톨루엔 또는 MEK가담긴 용기에 주입하여 다양한 농도의 휘발성 유기화합물이 제조되도록 하였으며 또한 농도의 교란을 최소화하기 위해 mixing chamber를 두었다. 유리재질의 흡착실험용 반응기를 직경 10mm, 길이 450mm이며, 반응기 중간에 glass fritz를 두어 충전된 흡착제를 고정할 수 있게 하였다. 반응기 주위로 흡착실험시 흡착층의 온도 유지와 탈착 실험시 흡착층 가열을 위해 IR 히터를 장착하였으며, 흡착층 하부에 K형 열전대를 장착하여 IR 히터를 조절하 였다.
은 및 망간입자로 첨착된 활성탄소섬유는 먼저 1~10wt%의 금속염을 증류수에 용해시켜 수용액을 제조한 후 활성탄소섬유를 함침시켜 제조하였다. 함침된 활성 탄소섬유는 건조기에서 건조한후 400℃에서 질소 또는 공기분위기에서 소성하였다.
함침된 활성 탄소섬유는 건조기에서 건조한후 400℃에서 질소 또는 공기분위기에서 소성하였다. 인산첨착 활성탄소섬유는 5vol%의 인산용액에 활성탄소섬유를 함침, 건조, 400℃ 소성과정을 거쳐 제조하였다.
유량조절부에서는 휘발성 유기화합물 제조에 사용된 공기를 일정한 유량으로 주입할 수 있도록 MFC(Mass Flow Controller)를 사용하였다. 증기발 생부에서는 MFC로 조절된 공기를 톨루엔 또는 MEK가담긴 용기에 주입하여 다양한 농도의 휘발성 유기화합물이 제조되도록 하였으며 또한 농도의 교란을 최소화하기 위해 mixing chamber를 두었다. 유리재질의 흡착실험용 반응기를 직경 10mm, 길이 450mm이며, 반응기 중간에 glass fritz를 두어 충전된 흡착제를 고정할 수 있게 하였다.
활성탄소섬유의 표면을 인산으로 개질한 후 휘발성 유기화합물의 흡착량 변화를 조사하여 표 1에 나타내었다. 흡착실험조건은 흡착층 온도 25℃, 유속 500cc/min, 주입 톨루엔 농도 100 ppm이었다.
첨착활성탄소섬유 및 활성탄소섬유는 흡착물 이외의 다른 오염물들이 흡착되는 것을 최소화하기 위해 실험이 수행되기 전에 200℃의 불활성 분위기에서 2시간동안 소성되어진 후 110℃의 강제순환 건조기에서 보관되어 진후, 실험을 실시하기 전에 항냉기에서 상온까지 냉각시킨후 사용했다. 흡착시키고자 하는 휘발성유기화합물은 VOCs generator와 Mixing chamber에 공기를 흘려 원하는 조성과 유량을 만들고 system 상의 venting line에서 시료를 채취하여 GC로 그 농도를 확인했다. 흡착제를 반응기에 균일하게 충진시키고, water bath를 이용하여 반응기의 온도를 원하는 온도로 일정하게 유지시킨다.

대상 데이터

본 실험에 사용한 실험장치의 개략도는 그림 1과 같다. 실험장치는 크게 유량조절부, 증기발생부, 흡착제 충진층, 분석부로 구성되어 있다. 실험장치 시스템은 전체적으로 1/4 inch 테프론 재질의 튜브를 이용하여 주요 장치들을 연결하였다.

성능/효과

1. 활성탄소섬유에 은나노입자, 망간입자, 인산이 적절하게 첨착되었으나 첨착 활성탄소섬유의 흡착력은 첨착하지 않은 활성탄소섬유보다 낮은 수준을 보였다. 은나노입자 또는 인산으로 첨착된 활성탄소섬 유의 경우 약 7% 내외의 흡착력 감소가 일어났으나 망간입자로 첨착된 경우는 약 50%의 흡착력 감소 현상이 일어나는 경우도 있었다.
2. 은나노입자 또는 인산으로 첨착된 활성탄소섬유의 경우 bacillus cereus와 salmonella entaritidis에 대해 뛰어난 항균성을 가지고 있으나 망간입자로 첨착된 활성탄소섬유의 경우는 bacillus cereus와 salmonella entaritidis에 대한 항균력이 없는 것으로 나타났다
은나노입자로 첨착한 활성탄소섬유의 경우 첨착된 은나노입자의 농도나 전처리 방법에 거의 영향을 받지않는 것으로 나타났다. 그러나 Mn입자를 첨착한 활성탄 소섬유의 경우 사용한 망간화합물의 종류에 관계없이 bacillus cereus에 대한 향균성은 없는 것으로 나타났다.
이는 은나노입자의 첨착으로 첨착 활성탄소섬유의 비표면적 감소로 이어져 흡착되는 휘발성 유기화합물의 흡착량이 감소하기 때문이며, 이러한 결과는 은입자농도가 증가할수록 첨착활성탄소섬유에 흡착되는 휘발성 유기화합물의 흡착량이 감소하는 것을 알 수 있다. 그리고 은나노입자로 첨착된 활성탄소섬유의 등온흡착곡선의 형태가 첨착하지 않은 활성탄소섬유의 등온흡착곡선과 유사한 Brunaur 분류 type Ⅰ의 형태를 유지하고 있음을 알수 있다. 이는 은나노입자가 첨착되어도 첨착활성탄소섬유는 micropore를 유지하며, 기본적으로 은나노입자에 의해 pore의 구조변화는 크게 영향을 받지 않기 때문이다.
표에서 은나노입자와 인산으로 첨착된 활성탄소섬유의 경우 salmonella entaritidis 대해 뚜렷한 항균성을 가지고 있음을 확인할수 있으며, bacillus cereus 의 경우에는 나타나지 않았던 은나노입자의 첨착량 증가에 따른 항균력 증가현상이 발생함을 알 수 있다. 그리고 활성탄소섬유에 Mn입자가 첨착된 경우 bacillus cereus의 경우와 유사하게 salmonella entaritidis에 대해서도 거의 항균력이 없음을 확인할 수있다. 향후 복합금속 또는 bitrimetal 물리혼합체에 대한 연구를 수행할 경우 담지방법 및 전구체에 따른 차이가 발생되므로 담지되는 방법, 전구체에 따른 담지금속의 담지순서, 전구체의 종류에 따른 변화로 인하여 재현성이 떨어지게 나타난다.
표 2는 첨착 활성탄소섬유와 비첨착활성탄소섬유의 bacillus cereus에 대한 항균성을 나타낸 표이다. 표에서 은나노입자와 인산으로 첨착된 활성탄소섬유는 bacillus cereus에 대해 뛰어난 항균성을 가지고 있음을 확인할 수있다. 은나노입자로 첨착한 활성탄소섬유의 경우 첨착된 은나노입자의 농도나 전처리 방법에 거의 영향을 받지않는 것으로 나타났다.
표 3은 salmonella entaritidis에 대한 각 첨착 활성탄소 섬유의 항균특성을 나타낸 표이다. 표에서 은나노입자와 인산으로 첨착된 활성탄소섬유의 경우 salmonella entaritidis 대해 뚜렷한 항균성을 가지고 있음을 확인할수 있으며, bacillus cereus 의 경우에는 나타나지 않았던 은나노입자의 첨착량 증가에 따른 항균력 증가현상이 발생함을 알 수 있다. 그리고 활성탄소섬유에 Mn입자가 첨착된 경우 bacillus cereus의 경우와 유사하게 salmonella entaritidis에 대해서도 거의 항균력이 없음을 확인할 수있다.

후속연구

그리고 활성탄소섬유에 Mn입자가 첨착된 경우 bacillus cereus의 경우와 유사하게 salmonella entaritidis에 대해서도 거의 항균력이 없음을 확인할 수있다. 향후 복합금속 또는 bitrimetal 물리혼합체에 대한 연구를 수행할 경우 담지방법 및 전구체에 따른 차이가 발생되므로 담지되는 방법, 전구체에 따른 담지금속의 담지순서, 전구체의 종류에 따른 변화로 인하여 재현성이 떨어지게 나타난다. 이에 단순한 물리 혼합결과에서 담지 비용 및 합성공정에 따른 흡착량 변화에 대한 실험 연구를 준비 중에 있으며, advanced된 bimetal실험 기획을 준비 중에 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	활성탄소섬유에 항균특성을 부가하기 위해 침착시킨 것은 무엇인가?	활성탄소섬유에 항균특성을 부가하기 위해 은나노입자, 망간 그리고 인산을 첨착시켰으며 이러한 첨착정도를 SEM 분석을 통해 관찰한 결과 적절하게 ACF에 첨착되었음을 확인할 수 있었다. 은나노입자 등으로 첨착된 ACF는 첨착되지 않은 ACF보다 휘발성 유기화합물의 흡착능력면에서 다소 떨어짐을 알 수 있었다.
	휘발성 유기화합물의 처리방법 중 연소법의 장단점은 무엇인가?	휘발성 유기화합물의 처리방법으로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 연소법, 촉매연소법 등이 있으며 이중에서 대규모 공정에 연소법이 가장 많이 적용되고 있다. 그러나 연소법의 경우 고농도의 휘발성 유기화합물이 연속적으로 배출되는 경우에는 유리하지만 비연속적이고 저농도로 배출되는 경우에는 과다한 에너지사용으로 경제성이 급격히 떨어지는 문제점이 있다[1].
	휘발성 유기화합물은 어떤 문제를 갖고 있는가?	휘발성 유기화합물은 대기 중에서 질소산화물과 반응 하여 광화학스모그를 일으킬 뿐만 아니라 장시간 인체에 노출시 발암물질로 작용하는 주요 유해물질 중의 하나이다. 휘발성 유기화합물의 처리방법으로는 흡수법, 흡착법, 막분리법, 연소법, 촉매연소법 등이 있으며 이중에서 대규모 공정에 연소법이 가장 많이 적용되고 있다.

참고문헌 (10)

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Z. Ryu, J. Zheng, M. Wang, and B. Zhang, "Nitrogen Adsorption Studies of PAN-based Activated Carbon Fibers Prepared by Different Activation Methods", Journal of Colloid Interface Science, Vol. 230, Issue 2, pp. 312-319, 2000

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Geun-Ho Baek, Jung-su Kim, Hyun-Tae Jang and Wang-seog Cha, "Adsorption/Desorption Properties of ACF on Toluene and MEK with operation Condition", Journal of the korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 12, No. 6, pp. 2898-2903, 2011

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M. Yoshikawa, A. Yasutake, and I. Mochida, "Low-temperature selective catalytic reduction of Nox by metal oxides supported on active carbon fibers", Applied. Catal. A, Vol 173, Issue 2, pp. 239-245, 1998

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A. Oya, T. Wakahara, S. Yoshida, "Preparation of pitch-based antibacterial activated carbon fiber," carbon Vol. 31, Issue 8, pp. 1243-1247, 1993

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Geun-Ho Baek, Jung-su Kim, Hyun-Tae Jang, Hyeong-Wan Kim, Hyeong-Joo Kim and Wang-seog Cha, "Adsorption/Desorption Properties of VOCs on Activated carbon fiber", Journal of the korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 12, No. 5, pp. 2439-2444, 2011

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Won-Chun Oh, Bum-Soo Kim, Young-seak Lee, "Surface and Antibacterial Properties of Ag-terated PAN based Activated Carbon Fiber", J Korean Ind. Eng. Chem, 11, 2, pp 212-215, 2000.
Taek-Sung Hwang, jin-Hyok Lee, Kwang-Young Kim, Kyung-suk Kang, Moon-Soo Rhee, "Thermal Effect on the Phophoric Acid Impregnated Activated Carbon Fiber and Adsorption Properties Toward Isoprene", J. Korean Ind. Eng. Chem, 12, 3, pp 329-333, 2001.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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